Las ciencias de la vida se están moviendo de grandes a pequeñas. Más recientemente, la biología describió solo las características externas de los animales, las plantas y las bacterias. La biología molecular estudia los organismos vivos a nivel de interacciones entre moléculas individuales. Biología estructural: estudia los procesos en las células al nivel de los átomos. Si quieres saber cómo “ver” átomos individuales, cómo funciona y “vive” la biología estructural y qué instrumentos utiliza, ¡estás aquí!

El socio general del ciclo es la empresa: el mayor proveedor de equipos, reactivos y consumibles para la investigación y producción biológica.

Una de las principales misiones de "Biomolecule" es llegar a las raíces mismas. No solo decimos qué nuevos hechos descubrieron los investigadores: hablamos sobre cómo los descubrieron, tratamos de explicar los principios de los métodos biológicos. ¿Cómo sacas un gen de un organismo y lo insertas en otro? ¿Cómo seguir el destino de unas pocas moléculas diminutas en una célula enorme? ¿Cómo excitar un diminuto grupo de neuronas en un enorme cerebro?

Y por eso decidimos hablar sobre los métodos de laboratorio de una manera más sistemática, para reunir los métodos biológicos más importantes y modernos en una rúbrica. Para hacerlo más interesante y claro, hemos ilustrado los artículos de manera densa e incluso hemos agregado animaciones aquí y allá. Queremos que los artículos de la nueva rúbrica sean interesantes y comprensibles incluso para un transeúnte casual. Y por otro lado, deben ser tan detallados que incluso un profesional pueda encontrar algo nuevo en ellos. Hemos recopilado métodos en 12 grandes grupos y vamos a hacer un calendario biometodológico a partir de ellos. ¡Espera actualizaciones!

¿Por qué Biología Estructural?

Como saben, la biología es la ciencia de la vida. ella apareció en principios del XIX siglos y los primeros cien años de su existencia fue puramente descriptivo. Se consideró que la tarea principal de la biología en ese momento era encontrar y caracterizar tantas especies de organismos vivos como fuera posible, y un poco más tarde, identificar los lazos familiares entre ellos. Con el tiempo y con el desarrollo de otras áreas de la ciencia, de la biología surgieron varias ramas con el prefijo "molecular": la genética molecular, la biología molecular y la bioquímica, ciencias que estudian los seres vivos a nivel de moléculas individuales, y no según apariencia organismo o la posición relativa de sus órganos internos. Finalmente, muy recientemente (en los años 50 del siglo pasado), apareció tal campo de conocimiento como biología estructural- una ciencia que estudia los procesos en los organismos vivos a nivel de cambio estructura espacial macromoléculas individuales. De hecho, la biología estructural se encuentra en la intersección de tres ciencias diferentes. En primer lugar, es la biología, porque la ciencia estudia los objetos vivos, en segundo lugar, la física, ya que se utiliza el más amplio arsenal de métodos físicos experimentales, y en tercer lugar, la química, ya que cambiar la estructura de las moléculas es el objeto de esta disciplina particular.

biología estructural estudia dos clases principales de compuestos: proteínas (el principal "cuerpo de trabajo" de todos los organismos conocidos) y ácidos nucleicos (las principales moléculas de "información"). Es gracias a la biología estructural que sabemos que el ADN tiene una estructura de doble hélice, que el ARNt debe representarse como una letra "G" antigua y que el ribosoma tiene una subunidad grande y pequeña, que consta de proteínas y ARN en una determinada conformación. .

objetivo mundial La biología estructural, como cualquier otra ciencia, consiste en "comprender cómo funcionan las cosas". De qué forma se pliega la cadena de proteínas, lo que hace que las células se dividan, cómo cambia el empaquetamiento de la enzima durante el proceso químico que lleva a cabo, en qué lugares interactúan la hormona del crecimiento y su receptor: estas son las preguntas que responde esta ciencia. . Además, un objetivo separado es acumular tal volumen de datos que estas preguntas (para un objeto que aún no ha sido estudiado) puedan responderse en una computadora sin recurrir a un experimento costoso.

Por ejemplo, debe comprender cómo funciona el sistema de bioluminiscencia en gusanos u hongos: descifraron el genoma, en base a estos datos encontraron la proteína deseada y predijeron su estructura espacial junto con el mecanismo de trabajo. Es cierto que vale la pena reconocer que hasta ahora tales métodos existen solo en su infancia, y aún es imposible predecir con precisión la estructura de una proteína, teniendo solo su gen. Por otro lado, los resultados de la biología estructural tienen aplicaciones en medicina. Como esperan muchos investigadores, el conocimiento sobre la estructura de las biomoléculas y sobre los mecanismos de su trabajo permitirá el desarrollo de nuevos fármacos sobre una base racional, y no por ensayo y error (cribado de alto rendimiento, estrictamente hablando), como se suele hacer. hecho ahora. Y esto no es ciencia ficción: ya hay muchos fármacos creados u optimizados mediante biología estructural.

Historia de la biología estructural

La historia de la biología estructural (Fig. 1) es bastante corta y comienza a principios de la década de 1950, cuando James Watson y Francis Crick, basándose en los datos de Rosalind Franklin sobre difracción rayos X en cristales de ADN, ensamblaron un modelo de la ahora conocida doble hélice de un diseñador antiguo. Un poco antes, Linus Pauling construyó el primer modelo plausible de la hélice, uno de los elementos básicos de la estructura secundaria de las proteínas (Fig. 2).

Cinco años más tarde, en 1958, se determinó la primera estructura proteica del mundo: la mioglobina (proteína de las fibras musculares) del cachalote (Fig. 3). Por supuesto, no se veía tan hermoso como las estructuras modernas, pero fue un hito importante en el desarrollo de la ciencia moderna.

Figura 3b. La primera estructura espacial de una molécula de proteína. John Kendrew y Max Perutz demuestran la estructura espacial de la mioglobina, ensamblada a partir de un kit especial.

Diez años más tarde, en 1984-1985, se identificaron las primeras estructuras mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear. Desde ese momento se han producido varios descubrimientos clave: en 1985 obtuvieron la estructura del primer complejo de la enzima con su inhibidor, en 1994 determinaron la estructura de la ATP sintasa, la principal “máquina” de las centrales eléctricas de nuestras células (mitocondrias), y ya en 2000 recibieron la primera estructura espacial "fábricas" de proteínas: ribosomas, que consisten en proteínas y ARN (Fig. 6). En el siglo XXI, el desarrollo de la biología estructural ha ido a pasos agigantados, acompañado de un crecimiento explosivo en el número de estructuras espaciales. Se han obtenido las estructuras de muchas clases de proteínas: receptores de hormonas y citocinas, receptores acoplados a proteína G, receptores tipo toll, proteínas del sistema inmunitario y muchos otros.

Con el advenimiento de nuevas tecnologías para registrar y procesar imágenes de microscopía crioelectrónica en la década de 2010, aparecieron muchas estructuras complejas de proteínas de membrana en resolución ultra alta. El progreso de la biología estructural no pasó desapercibido: 14 Premios Nobel, de los cuales cinco ya están en el siglo XXI.

Métodos de biología estructural

La investigación en el campo de la biología estructural se lleva a cabo utilizando varios métodos físicos, de los cuales sólo tres permiten obtener las estructuras espaciales de las biomoléculas en resolución atómica. Los métodos de biología estructural se basan en medir la interacción de la sustancia de prueba con varios tipos ondas electromagnéticas o partículas elementales. Todas las técnicas requieren importantes recursos financieros; el costo del equipo suele ser asombroso.

Históricamente, el primer método de biología estructural es el análisis de difracción de rayos X (XRD) (Fig. 7). Ya a principios del siglo XX, se descubrió que, de acuerdo con el patrón de difracción de rayos X en los cristales, se pueden estudiar sus propiedades: el tipo de simetría celular, la longitud de los enlaces entre los átomos, etc. Si, sin embargo, en las celdas de la red cristalina hay compuestos orgánicos, entonces es posible calcular las coordenadas de los átomos y, en consecuencia, la estructura química y espacial de estas moléculas. Así se obtuvo la estructura de la penicilina en 1949, y en 1953 la estructura de la doble hélice del ADN.

Parecería que todo es simple, pero hay matices.

Primero, es necesario obtener cristales de alguna manera, y su tamaño debe ser lo suficientemente grande (Fig. 8). Si esto es factible para moléculas no muy complejas (recuerde cómo la sal de mesa o vitriolo azul!), entonces la cristalización de proteínas es una tarea muy difícil que requiere un procedimiento no obvio para buscar las condiciones óptimas. Ahora esto se hace con la ayuda de robots especiales que preparan y monitorean cientos de soluciones diferentes en busca de cristales de proteína "germinados". Sin embargo, en los primeros días de la cristalografía, la obtención de un cristal de proteína podía llevar años de un tiempo valioso.

En segundo lugar, sobre la base de los datos obtenidos (patrones de difracción "en bruto"; Fig. 8), es necesario "calcular" la estructura. Ahora bien, esta también es una tarea rutinaria, pero hace 60 años, en la era de la tecnología de las lámparas y las tarjetas perforadas, estaba lejos de ser tan simple.

En tercer lugar, incluso si fuera posible hacer crecer un cristal, no es en absoluto necesario que se determine la estructura espacial de la proteína: para esto, la proteína debe tener la misma estructura en todos los sitios de la red, que está lejos de ser siempre la misma. caso.

Y en cuarto lugar, el cristal está lejos del estado natural de la proteína. Estudiar proteínas en cristales es como estudiar a las personas metiendo diez de ellas en una cocina pequeña y llena de humo: puedes descubrir que las personas tienen brazos, piernas y cabeza, pero el comportamiento puede no ser el mismo que en un ambiente cómodo. Sin embargo, el análisis de difracción de rayos X es el método más común para determinar estructuras espaciales y el 90% del contenido del PDB se obtiene utilizando este método.

SAR requiere fuentes poderosas de rayos X: aceleradores de electrones o láseres de electrones libres (Fig. 9). Estas fuentes son costosas (varios miles de millones de dólares estadounidenses), pero por lo general cientos o incluso miles de grupos en todo el mundo utilizan una fuente por una tarifa bastante nominal. No existen fuentes potentes en nuestro país, por lo que la mayoría de los científicos viajan desde Rusia a EE. UU. o Europa para analizar los cristales obtenidos. Puedes leer más sobre estos estudios románticos en el artículo " Laboratorio de Investigación Avanzada en Proteínas de Membrana: Del Gen al Angstrom» .

Como ya se mencionó, el análisis de difracción de rayos X requiere una fuente poderosa de rayos X. Cuanto más poderosa sea la fuente, menor será el tamaño de los cristales con los que se puede arreglárselas, y menos dolor tendrán que soportar los biólogos y los ingenieros genéticos tratando de obtener los desafortunados cristales. La radiación de rayos X es más fácil de obtener acelerando un haz de electrones en sincrotrones o ciclotrones, aceleradores de anillos gigantes. Cuando un electrón experimenta una aceleración, emite ondas electromagnéticas en el rango de frecuencia deseado. V Últimamente Aparecieron nuevas fuentes de radiación superpoderosas: láseres de electrones libres (XFEL).

El principio de funcionamiento del láser es bastante simple (Fig. 9). Primero, los electrones se aceleran a altas energías con la ayuda de imanes superconductores (la longitud del acelerador es de 1 a 2 km), y luego pasan a través de los llamados onduladores, conjuntos de imanes de diferente polaridad.

Figura 9. El principio de funcionamiento de un láser de electrones libres. El haz de electrones se acelera, atraviesa el ondulador y emite rayos gamma que inciden sobre las muestras biológicas.

Al pasar por el ondulador, los electrones comienzan a desviarse periódicamente de la dirección del haz, experimentando aceleración y emitiendo rayos X. Dado que todos los electrones se mueven de la misma manera, la radiación se amplifica debido al hecho de que otros electrones del haz comienzan a absorber y reemitir ondas de rayos X de la misma frecuencia. Todos los electrones emiten radiación sincrónicamente en forma de un destello superpoderoso y muy corto (con una duración de menos de 100 femtosegundos). La potencia del haz de rayos X es tan alta que un breve destello convierte un pequeño cristal en plasma (Fig. 10), sin embargo, en los pocos femtosegundos mientras el cristal está intacto, se puede obtener la imagen de mayor calidad debido a la alta intensidad y coherencia del haz. El costo de un láser de este tipo es de 1.500 millones de dólares, y solo hay cuatro instalaciones de este tipo en el mundo (ubicadas en los EE. UU. (Fig. 11), Japón, Corea y Suiza). En 2017, está previsto poner en funcionamiento el quinto láser, europeo, en cuya construcción también participó Rusia.

Figura 10. Transformación de proteínas en plasma en 50 fs bajo la acción de un pulso láser de electrones libres. Femtosegundo = 1/1000000000000000 de segundo.

Aproximadamente el 10 % de las estructuras espaciales de la base de datos PDB se determinaron mediante espectroscopia de RMN. Hay varios espectrómetros de RMN sensibles de servicio pesado en Rusia, que se utilizan para trabajos de clase mundial. El laboratorio de RMN más grande no solo en Rusia, sino en toda el área al este de Praga y al oeste de Seúl, está ubicado en el Instituto de Química Bioorgánica de la Academia Rusa de Ciencias (Moscú).

El espectrómetro de RMN es un maravilloso ejemplo del triunfo de la tecnología sobre la razón. Como ya hemos mencionado, se requiere un campo magnético potente para usar el método de espectroscopia de RMN, por lo que el corazón del dispositivo es un imán superconductor: una bobina de aleación especial sumergida en helio líquido (−269 ° C). Se necesita helio líquido para lograr la superconductividad. Para evitar que el helio se evapore, se construye a su alrededor un enorme tanque con nitrógeno líquido (−196 °C). Aunque es un electroimán, no consume electricidad: una bobina superconductora no tiene resistencia. Sin embargo, el imán debe ser "alimentado" constantemente con helio líquido y nitrógeno líquido (Fig. 15). Si no lo sigue, se producirá un "enfriamiento": la bobina se calentará, el helio se evaporará explosivamente y el dispositivo se romperá ( cm. video). También es importante que el campo en una muestra de 5 cm de largo sea extremadamente uniforme, por lo que el dispositivo contiene un par de docenas de pequeños imanes necesarios para ajustar el campo magnético.

Video. El "enfriamiento" planificado del espectrómetro de RMN de 21,14 tesla.

Para realizar mediciones, necesita un sensor, una bobina especial que genera radiación electromagnética y registra una señal "inversa", la oscilación del momento magnético de la muestra. Para mejorar la sensibilidad en un factor de 2 a 4, el sensor se enfría a -200 °C, eliminando así el ruido térmico. Para hacer esto, construyen una máquina especial, una crioplataforma, que enfría el helio a la temperatura deseada y lo bombea cerca del detector.

Existe todo un grupo de métodos basados ​​en el fenómeno de la dispersión de la luz, los rayos X o los haces de neutrones. Basados ​​en la intensidad de la radiación/dispersión de partículas en diferentes ángulos, estos métodos permiten determinar el tamaño y la forma de las moléculas en solución (Fig. 16). La dispersión no puede determinar la estructura de una molécula, pero puede usarse como ayuda cuando se utiliza otro método, como la espectroscopia de RMN. Los instrumentos para medir la dispersión de la luz son relativamente baratos, cuestan "solo" alrededor de $ 100,000, mientras que otros métodos requieren un acelerador de partículas a mano que puede crear un haz de neutrones o un poderoso haz de rayos X.

Otro método por el cual no se puede determinar la estructura, pero se pueden obtener algunos datos importantes, es transferencia de energía de fluorescencia resonante(PREOCUPARSE) . El método utiliza el fenómeno de la fluorescencia, la capacidad de algunas sustancias para absorber luz de una longitud de onda y emitir luz de otra longitud de onda. Es posible elegir un par de compuestos, en uno de los cuales (donante) la luz emitida durante la fluorescencia corresponderá a la longitud de onda de absorción característica del segundo (receptor). Irradiar el donante con un láser de la longitud de onda deseada y medir la fluorescencia del aceptor. El efecto FRET depende de la distancia entre las moléculas, por lo que si introduce un donante y un aceptor de fluorescencia en las moléculas de dos proteínas o diferentes dominios (unidades estructurales) de una proteína, puede estudiar las interacciones entre las proteínas o la disposición mutua de los dominios. en una proteína. El registro se realiza mediante un microscopio óptico, por lo que FRET es un método económico, aunque poco informativo, cuyo uso se asocia con dificultades en la interpretación de los datos.

Finalmente, es imposible no mencionar el "método de los sueños" de los biólogos estructurales: el modelado por computadora (Fig. 17). La idea del método es utilizar conocimiento moderno sobre la estructura y leyes de comportamiento de las moléculas, para simular el comportamiento de una proteína en un modelo informático. Por ejemplo, usando el método de dinámica molecular, es posible rastrear los movimientos de una molécula o el proceso de “ensamblaje” (plegamiento) de proteínas en tiempo real con un “pero”: el tiempo máximo que se puede calcular no excede 1 ms, que es extremadamente corto, pero, además, requiere enormes recursos computacionales (Fig. 18) . Es posible estudiar el comportamiento del sistema durante más tiempo, solo que esto se logra a expensas de una pérdida de precisión inaceptable.

El modelado por computadora se usa activamente para analizar las estructuras espaciales de las proteínas. El acoplamiento se utiliza para buscar fármacos potenciales que tengan una alta propensión a interactuar con la proteína diana. Por el momento, la precisión de las predicciones sigue siendo baja, pero el acoplamiento puede reducir significativamente el rango de sustancias potencialmente activas que deben probarse para el desarrollo de un nuevo fármaco.

El principal campo de aplicación práctica de los resultados de la biología estructural es el desarrollo de fármacos o, como se dice ahora de moda, el diseño de fármacos. Hay dos formas de desarrollar un fármaco basado en datos estructurales: puede comenzar a partir de un ligando o de una proteína objetivo. Si ya se conocen varios fármacos que actúan sobre la proteína diana y se han obtenido las estructuras de los complejos proteína-fármaco, es posible crear un modelo del "fármaco ideal" de acuerdo con las propiedades del "bolsillo" de unión en la superficie de la molécula de proteína, resalte las características necesarias del fármaco potencial y busque entre todos los compuestos naturales y no tan conocidos. Incluso puede construir relaciones entre las propiedades de la estructura de la droga y su actividad. Por ejemplo, si una molécula tiene un arco en la parte superior, entonces su actividad es mayor que la de una molécula sin arco. Y cuanto más se carga el arco, mejor funciona la medicina. Entonces, de todas las moléculas conocidas, debe encontrar un compuesto con el arco cargado más grande.

Otra forma es usar la estructura objetivo en la computadora para buscar compuestos que sean potencialmente capaces de interactuar con ella en el lugar correcto. En este caso, generalmente se usa una biblioteca de fragmentos: pequeñas piezas de sustancias. Si encuentra varios fragmentos buenos que interactúan con el objetivo en diferentes lugares, pero cerca uno del otro, puede construir una droga a partir de los fragmentos "cosiéndolos". Hay muchos ejemplos de desarrollo exitoso de fármacos usando biología estructural. El primer caso exitoso se remonta a 1995, cuando se aprobó el uso de dorzolamida, un medicamento para el glaucoma.

La tendencia general en la investigación biológica se inclina cada vez más hacia una descripción no solo cualitativa sino también cuantitativa de la naturaleza. La biología estructural es un excelente ejemplo de esto. Y hay muchas razones para creer que seguirá beneficiando no solo a la ciencia fundamental, sino también a la medicina y la biotecnología.

El calendario

Basándonos en los artículos del proyecto especial, decidimos hacer un calendario "12 métodos de biología" para 2019. Este artículo representa marzo.

Literatura

1. Bioluminiscencia: un resurgimiento;
2. El triunfo de los métodos informáticos: la predicción de la estructura de las proteínas;
3. Heping Zheng, Katarzyna B Handing, Matthew D Zimmerman, Ivan G Shabalin, Steven C Almo, Wladek Minor. (2015).

Los detalles del patrón biológico para estudiantes de secundaria

El dibujo biológico es una de las herramientas universalmente reconocidas para estudiar objetos y estructuras biológicas. Hay muchos buenos tutoriales sobre este tema.

Por ejemplo, en el libro de tres volúmenes "Biología" de Green, Stout, Taylor, se formulan las siguientes reglas para el dibujo biológico.

1. Es necesario utilizar papel para dibujo del grosor y calidad adecuados. Las líneas de lápiz deben estar bien borradas.

2. Los lápices deben ser afilados, dureza HB (en nuestro sistema - TM), no de color.

3. El dibujo debe ser:

- lo suficientemente grande: cuantos más elementos compongan el objeto en estudio, más grande debe ser el dibujo;
- simple: incluya contornos de la estructura y otros detalles importantes para mostrar la ubicación y la conexión de los elementos individuales;
- dibujado con líneas finas y distintas - cada línea debe ser pensada y luego dibujada sin levantar el lápiz del papel; no empolle ni coloree;
- las inscripciones deben ser lo más completas posible, las líneas que salen de ellas no deben cruzarse; Deje espacio para leyendas alrededor del dibujo.

4. Realice dos dibujos si es necesario: un dibujo esquemático que muestre las características principales y un dibujo detallado de las piezas pequeñas. Por ejemplo, con un aumento bajo, dibuje un plano de la sección transversal de una planta, y con un aumento alto, una estructura detallada de las celdas (una gran parte dibujada del dibujo se delinea en el plano con una cuña o un cuadrado).

5. Debe dibujar solo lo que realmente ve, y no lo que cree que ve y, por supuesto, no copie el dibujo del libro.

6. Cada dibujo debe tener un título, una indicación de la ampliación y proyección de la muestra.

Página del libro "Introducción a la zoología" (edición alemana de finales del siglo XIX)

A primera vista, es bastante simple y no plantea objeciones. Sin embargo, tuvimos que revisar algunas tesis. El hecho es que los autores de tales manuales consideran los detalles del dibujo biológico ya al nivel de un instituto o clases superiores de escuelas especiales, sus recomendaciones están dirigidas a personas bastante adultas con una mentalidad analítica (ya). En los grados medios (6-8), tanto ordinarios como biológicos, las cosas no son tan simples.

Muy a menudo, los bocetos de laboratorio se convierten en un "tormento" mutuo. Los dibujos feos y poco inteligibles no son del agrado de los niños, simplemente no saben cómo dibujar todavía, ni tampoco el maestro, porque esos detalles de la estructura, por los cuales todo comenzó, a menudo son pasados ​​por alto por la mayoría de los niños. . Solo los niños dotados artísticamente normalmente se enfrentan a tales tareas (¡y no comiencen a odiarlos!) En definitiva, el problema es que hay objetos, pero no hay una técnica adecuada. Por cierto, los profesores de dibujo a veces se enfrentan al problema opuesto: hay una técnica y es difícil con la selección de objetos. ¿Quizás deberíamos unirnos?

En la 57.a escuela de Moscú donde trabajo, ha existido durante mucho tiempo y continúa desarrollándose en la actualidad un curso integrado de dibujo biológico en las clases medias, en el marco del cual los profesores de biología y dibujo trabajan en parejas. Hemos desarrollado muchos proyectos interesantes. Sus resultados se han exhibido repetidamente en los museos de Moscú: la Universidad Estatal Zoológica de Moscú, Paleontológica, Darwin, en varios festivales de creatividad infantil. Pero lo principal es que los niños comunes, no seleccionados para las clases de arte o biología, están felices de completar estas tareas del proyecto, están orgullosos de su propio trabajo y, como nos parece, comienzan a mirar el mundo de los vivos. mucho más de cerca y cuidadosamente. Por supuesto, no todas las escuelas tienen la oportunidad de que los profesores de biología y arte trabajen juntos, pero algunos de nuestros hallazgos probablemente serán interesantes y útiles, incluso si trabaja solo en el marco de un programa de biología.

Motivación: primero las emociones

Por supuesto, dibujamos para estudiar y comprender mejor características estructurales, para familiarizarse con la diversidad de los organismos que estudiamos en las lecciones. Pero, independientemente de la tarea que asigne, recuerde que es muy importante que los niños de esta edad capturen emocionalmente la belleza y la conveniencia del objeto antes de comenzar a trabajar. Intentamos comenzar a trabajar en un nuevo proyecto con impresiones vívidas. Un video clip corto o una pequeña selección de diapositivas (¡no más de 7 a 10!) es lo más adecuado para esto. Nuestros comentarios están dirigidos a lo inusual, la belleza, la maravilla de los objetos, incluso si se trata de algo ordinario: por ejemplo, las siluetas invernales de los árboles al estudiar la ramificación de los brotes, pueden ser escarchadas y con reminiscencias de corales, o gráficas enfatizadas. negro sobre nieve blanca. Tal introducción no debe ser larga, solo unos minutos, pero es muy importante para la motivación.

Progreso: compilación analítica

Luego pasas a la formulación de la tarea. Aquí es importante resaltar primero aquellas características de la estructura que determinan la apariencia del objeto y muestran su significado biológico. Por supuesto, todo esto debe estar escrito en la pizarra y escrito en un cuaderno. En realidad, en este momento está configurando una tarea de trabajo para los estudiantes: ver y mostrar.

Y luego, en la segunda mitad del tablero, describe las etapas de construcción de un dibujo, complementándolas con diagramas, es decir. describir la metodología y el procedimiento. En esencia, usted mismo completa rápidamente la tarea frente a los niños, manteniendo en el tablero toda la serie de construcciones auxiliares e intermedias.

En esta etapa, es muy bueno mostrar a los niños los dibujos terminados, ya sea por artistas que representen los mismos objetos o por el trabajo exitoso de estudiantes anteriores. Es necesario enfatizar constantemente que bueno y hermoso dibujo biológico en su esencia, hay un estudio - i.e. la respuesta a la pregunta de cómo funciona el objeto y, con el tiempo, enseñar a los niños a formular estas preguntas por sí mismos.

Proporciones, líneas auxiliares, detalles, preguntas capciosas

Construyendo un dibujo - ¡y explorando el objeto! - comienza por averiguar sus proporciones: la relación de largo a ancho, partes a la totalidad, asegúrese de establecer un formato bastante rígido para la imagen. Es el formato el que determinará automáticamente el grado de detalle: una gran cantidad de detalles desaparecerán en uno pequeño, uno grande requerirá saturación de detalles y, por lo tanto, más tiempo para trabajar. Piensa de antemano qué es más importante para ti en cada caso.

1) dibujar un eje de simetría;

2) construya dos pares de rectángulos simétricos: para las alas superior e inferior (por ejemplo, libélulas), primero determine sus proporciones;

3) encajar en estos rectángulos las líneas curvas de las alas

Arroz. 1. 7mo grado. Tema "Escuadrones de insectos". Tinta, pluma sobre lápiz, de raso

(Recuerdo una historia graciosa, triste y común que sucedió cuando hice este trabajo por primera vez. Un niño de séptimo grado entendió por primera vez que la palabra "encajar" era fácil de encajar y dibujó círculos curvos dentro de los rectángulos: ¡los cuatro son diferentes! Luego, después de mi indicación, qué ingresar, significa tocar las líneas auxiliares, trajo una mariposa con alas rectangulares, solo ligeramente suavizadas en las esquinas. Y solo entonces adiviné para explicarle que la curva inscrita toca cada lado del rectángulo. en un solo punto. Y tuvimos que rehacer el dibujo de nuevo...)

4) ... Este punto puede ubicarse en el medio del costado o a una distancia de un tercio de la esquina, ¡y esto también debe determinarse!

Pero qué feliz estaba cuando su dibujo llegó a la exposición de la escuela, por primera vez, ¡funcionó! Y ahora pronuncio todas las etapas de nuestro tormento con él en la descripción del "Progreso del trabajo".

Más detalles del dibujo solo nos llevan a una discusión sobre el significado biológico de muchas características del objeto. Continuando con el ejemplo de las alas de los insectos (Fig. 2), discutimos qué son las venas, cómo están dispuestas, por qué necesariamente se fusionan en una sola red, cómo la naturaleza de la venación difiere en insectos de diferentes grupos sistemáticos (por ejemplo, en la antigua y aladas nuevas), por qué el extremo de la vena de las alas anteriores está engrosada, etc. Y trate de dar la mayoría de sus instrucciones en forma de preguntas a las que los niños necesitan encontrar respuestas.

Arroz. 2. "Libélula y hormiga león". 7mo grado, tema "Escuadrones de insectos". Tinta, pluma sobre lápiz, de raso

Por cierto, trata de recoger más objetos del mismo tipo, dando a elegir a los chicos. Al final del trabajo, la clase verá tanto la diversidad biológica del grupo, como importantes rasgos comunes de la estructura y, finalmente, las diferentes habilidades de dibujo de los niños no serán tan importantes.

Desafortunadamente, el maestro de escuela no siempre tiene a su disposición una cantidad suficiente de varios objetos del mismo grupo. Quizás nuestra experiencia le sea útil: cuando estudiamos un grupo, primero hacemos un dibujo frontal de un objeto de la vida de fácil acceso, y luego individualmente: dibujos de varios objetos de fotografías o incluso de dibujos de artistas profesionales.

Arroz. 3. Camarones. 7mo grado, tema "Crustáceos". Lápiz, de la naturaleza

Por ejemplo, en el tema "Crustáceos" en el laboratorio "Estructura externa de un crustáceo", todos primero dibujamos camarones (en lugar de cangrejos de río) comprados congelados en una tienda de comestibles (Fig. 3), y luego, después de ver un video corto clip, individualmente: diferentes larvas de crustáceos planctónicos (Fig. 4), representadas en "La vida de los animales": en hojas grandes (A3), teñidas con acuarelas en tonos gris frío, azul y verdoso; tiza o gouache blanco, trabajando los detalles finos con tinta y pluma. (Al explicar cómo transmitir la transparencia de los crustáceos planctónicos, podemos ofrecer el modelo más simple: jarra de vidrio con un objeto incrustado en él.)

Arroz. 4. Plancton. 7mo grado, tema "Crustáceos". Papel entonado (formato A3), tiza o gouache blanco, tinta negra, de satén

En el octavo grado, cuando estudiamos peces, en el trabajo de laboratorio "Estructura externa de huesos de pescado", primero dibujamos una vobla ordinaria, y luego los chicos dibujan representantes de diferentes órdenes de peces con acuarelas de las magníficas tablas de colores "Peces comerciales" que tenemos en la escuela.

Arroz. 5. Esqueleto de rana. 8vo grado, tema "Anfibios". Lápiz, con preparación educativa

Al estudiar primero a los anfibios - trabajo de laboratorio"Estructura del esqueleto de una rana", dibujo a lápiz simple (Fig. 5). Luego, después de ver un videoclip corto, un dibujo en acuarela de varias ranas trepadoras de hojas exóticas, etc. (Dibujamos de calendarios con fotografías de alta calidad, afortunadamente, ahora no son infrecuentes).

Con este esquema, los dibujos a lápiz bastante aburridos del mismo objeto se perciben como una etapa preparatoria normal para trabajos brillantes e individuales.

Importante: técnica

La elección de la técnica es muy importante para la finalización exitosa del trabajo. En la versión clásica, debe tomar un lápiz simple y papel blanco, pero ... Nuestra experiencia dice que, desde el punto de vista de los niños, tal dibujo parecerá inacabado, permanecerán insatisfechos con el trabajo.

Mientras tanto, es suficiente hacer un boceto a lápiz con tinta e incluso tomar papel teñido (a menudo usamos papel de color para impresoras), y el resultado se percibirá de manera bastante diferente (Fig. 6, 7). La sensación de incompletitud a menudo se crea precisamente por la falta de antecedentes detallados, y la forma más fácil de resolver este problema es con la ayuda de papel teñido. Además, con una tiza ordinaria o un lápiz blanco, puede lograr casi instantáneamente el efecto de deslumbramiento o transparencia, que a menudo es necesario.

Arroz. 6. Radiolarios. 7mo grado, el tema "El más simple". Papel tintado (formato A3) para acuarela (con textura rugosa), tinta, pastel o tiza, de satén

Arroz. 7. Abeja. 7mo grado, tema "Escuadrones de insectos". Tinta, pluma sobre lápiz, volumen - con pincel y tinta diluida, pequeños detalles con pluma, de un satén

Si le resulta difícil organizar el trabajo con el rímel, use delineadores negros suaves o bolígrafos (en el peor de los casos, bolígrafos de gel); dan el mismo efecto (Fig. 8, 9). Con esta técnica, asegúrese de mostrar cuánta información se proporciona utilizando líneas de diferentes grosores y presiones, tanto para resaltar lo más importante como para crear el efecto de volumen (primer plano y fondo). También puede usar sombreado moderado y ligero.

Arroz. 8. Avena. 6to grado, tema "Variedad de plantas con flores, familia Cereales". Tinta, papel teñido, del herbario.

Arroz. 9. Cola de caballo y musgo club. 6to grado, tema " plantas de esporas". Tinta, papel blanco, del herbario.

Además, a diferencia de los dibujos científicos clásicos, a menudo hacemos el trabajo en color o usamos tonos claros para mostrar el volumen (Fig. 10).

Arroz. 10. Articulación del codo. 9no grado, tema "Sistema musculoesquelético". Lápiz, con ayuda de yeso

De las técnicas de color, probamos muchas: acuarela, gouache, pastel y finalmente nos decidimos por lápices de colores suaves, pero siempre en papel rugoso. Si decide probar esta técnica, hay algunas cosas importantes que debe tener en cuenta.

1. Escoja lápices suaves de buena calidad de una buena compañía, como Kohinoor, pero no le dé a los niños una gran variedad de colores (lo suficientemente básico): en este caso, por lo general intentan escoger un color ya hecho, que por supuesto falla Muestre cómo obtener el tono correcto mezclando 2-3 colores. Para hacer esto, debe trabajar con una paleta, una hoja de papel en la que seleccionan las combinaciones y la presión deseadas.

2. El papel rugoso facilitará mucho la tarea de utilizar colores débiles y fuertes.

3. Los trazos cortos y ligeros deberían, por así decirlo, esculpir la forma del objeto: es decir, repita las líneas principales (y no pinte, al contrario de la forma y los contornos).

4. Luego necesita los trazos jugosos y fuertes finales, cuando ya se han seleccionado los colores correctos. A menudo vale la pena agregar reflejos, lo que animará mucho el dibujo. La forma más fácil es usar tiza común para esto (en papel teñido) o pasar con un borrador suave (en blanco). Por cierto, si usa técnicas sueltas (tiza o pastel), puede arreglar el trabajo con laca para el cabello.

Cuando domine esta técnica, podrá usarla en la naturaleza, con falta de tiempo, literalmente "sobre sus rodillas" (simplemente no se olvide de las tabletas, ¡solo una pieza de cartón de embalaje es suficiente!).

Y, por supuesto, para el éxito de nuestro trabajo, definitivamente organizamos exposiciones, a veces en el aula, a veces en los pasillos de la escuela. Muy a menudo, los informes de los niños sobre el mismo tema se sincronizan con la exposición, tanto orales como escritos. En general, un proyecto de este tipo les deja a usted y a los niños una sensación de trabajo grandioso y hermoso, para el cual vale la pena prepararse. Probablemente, con contacto e interés mutuo con un profesor de dibujo, puede comenzar a trabajar en lecciones de biología: analítica etapa preparatoria estudiando el objeto, creando un boceto a lápiz y terminándolo con la técnica que hayan elegido juntos, en sus lecciones.

Aquí hay un ejemplo. Botánica, tema "Escape - brote, ramificación, estructura del brote". Una rama con cogollos, grandes en primer plano, en el fondo, las siluetas de árboles o arbustos contra el fondo de nieve blanca y cielo negro. Técnica - tinta negra, papel blanco. Ramas, de la naturaleza, siluetas de árboles, de fotografías o dibujos de libros. El nombre es "Árboles en invierno" o "Paisaje de invierno".

Otro ejemplo. Al estudiar el tema "Escuadrones de insectos", realizamos un trabajo breve "La forma y el volumen de los escarabajos". Cualquier técnica que transmita claroscuros y realces (acuarela, tinta al agua, pincel), pero monocromática, para no distraerse de la consideración e imagen de la forma (Fig. 11). Es mejor trabajar los detalles con un bolígrafo o un bolígrafo de gel (si usa una lupa, las patas y la cabeza quedarán mejor).

Arroz. 11. Escarabajos. Tinta, pluma sobre lápiz, volumen - con pincel y tinta diluida, pequeños detalles con pluma, de un satén

1-2 obras hermosas en un cuarto son suficientes, y dibujar un ser vivo hará las delicias de todos los participantes en este difícil proceso.

Objetivos

• Educativo: continuar la formación de conocimientos sobre la biología como ciencia; dar conceptos sobre las principales secciones de la biología y los objetos que estudian;
• Desarrollando: formar las habilidades de trabajar con fuentes literarias, la formación de habilidades para hacer conexiones analíticas;
• Educativo: ampliar horizontes, formar una percepción holística del mundo.

Tareas

1. Revelar el papel de la biología, entre otras ciencias.
2. Revelar la conexión de la biología con otras ciencias.
3. Determinar qué diferentes ramas de la biología están estudiando.
4. Definir el papel de la biología en la vida. humano.
5. Dibujar Datos interesantes relacionados con el tema de los videos presentados en la lección.

Términos y conceptos

• La biología es un complejo de ciencias, cuyos objetos de estudio son los seres vivos y su interacción con el medio ambiente.
• La vida es una forma activa de la existencia de la materia, en un sentido superior en comparación con su forma física y formas químicas existencia; un conjunto de procesos físicos y químicos que ocurren en la célula, que permiten el metabolismo y su división.
• La ciencia es una esfera de la actividad humana dirigida al desarrollo y sistematización teórica del conocimiento objetivo sobre la realidad.

durante las clases

Actualización de conocimientos

Recuerda lo que estudia la biología.
Nombra las ramas de la biología que conoces.
Encuentra la respuesta correcta:
1. Estudios de botánica:
A) plantas
B) animales
B) solo algas
2. El estudio de las setas se desarrolla en el marco de:
A) botánica
B) virología;
B) micología.
3. En biología se distinguen varios reinos, a saber:
un) 4
segundo) 5
A LAS 7
4. Una persona se refiere en biología a:
A) Reino Animal
B) Subclase Mamíferos;
C) Género Homo sapiens.

Con la ayuda de la Figura 1, recuerda cuántos reinos se distinguen en biología:

Arroz. 1 Reinos de organismos vivos

Aprendiendo nuevo material

Por primera vez el término "biología" en 1797 fue propuesto por el profesor alemán T. Ruzom. Pero comenzó a usarse activamente solo en 1802, después del uso de este término J-B. Lamarck en sus obras.

Hoy en día, la biología es un complejo de ciencias que forman disciplinas científicas independientes que se ocupan de determinados objetos de estudio.

Entre las "ramas" de la biología, se pueden nombrar ciencias como:
- botánica - la ciencia que estudia las plantas y sus subsecciones: micología, liquenología, briología, geobotánica, paleobotánica;
- zoología- la ciencia que estudia los animales, y sus subsecciones: ictiología, aracnología, ornitología, etología;
- ecología - la ciencia de la relación de los organismos vivos con el medio ambiente;
- anatomía - la ciencia de la estructura interna de todos los seres vivos;
- morfología - una ciencia que estudia la estructura externa de los organismos vivos;
- Citología - la ciencia que estudia la célula;
- así como histología, genética, fisiología, microbiología y otros.

En general, se puede ver la totalidad de las ciencias biológicas en la Figura 2:

Arroz. 2 Ciencias biológicas

Al mismo tiempo, se destacan varias ciencias, que se formaron como resultado de la estrecha interacción de la biología con otras ciencias, y se denominan integradas. Estas ciencias se pueden atribuir con seguridad: bioquímica, biofísica, biogeografía, biotecnología, radiobiología, biología espacial y otras. La figura 3 muestra las principales ciencias integrales con la biología

Arroz. 3. Ciencias biológicas integrales

El conocimiento de la biología es importante para una persona.
Tarea 1: Trate de formular por sí mismo cuál es exactamente la importancia del conocimiento biológico para una persona.
Actividad 2: Mira el siguiente video sobre la evolución y determina qué conocimientos de ciencias biológicas se requirieron para crearla

Y ahora recordemos qué tipo de conocimiento y por qué necesita una persona:
- para determinar varias enfermedades organismo. Su tratamiento y prevención requieren conocimientos sobre el cuerpo humano, lo que significa conocimientos de: anatomía, fisiología, genética, citología. Gracias a los logros de la biología, la industria comenzó a producir medicamentos, vitaminas y sustancias biológicamente activas;

En la industria alimentaria es necesario saber botánica, bioquímica, fisiología humana;
- en agricultura son necesarios conocimientos de botánica y bioquímica. Gracias al estudio de la relación entre los organismos vegetales y animales, fue posible crear métodos biológicos control de plagas de cultivos. Por ejemplo, el complejo conocimiento de la botánica y la zoología se manifiesta en la agricultura, y esto se puede ver en un breve video.

Y esta es solo una breve lista del "papel útil del conocimiento biológico" en la vida humana.
El siguiente video te ayudará a comprender mejor el papel de la biología en la vida.

No es posible sustraer los conocimientos de biología de los obligatorios, porque la biología estudia nuestra vida, la biología aporta conocimientos que se utilizan en la mayoría de las áreas de la vida humana.

Tarea 3. Explica por qué la biología moderna se llama una ciencia compleja.

Consolidación de conocimientos

1. ¿Qué es la biología?
2. Nombra las subsecciones de botánica.
3. ¿Cuál es el papel del conocimiento de la anatomía en la vida humana?
4. ¿El conocimiento de qué ciencias es necesario para la medicina?
5. ¿Quién identificó por primera vez el concepto de biología?
6. Mire la Figura 4 y determine qué ciencia está estudiando el objeto representado:

Figura 4. ¿Qué ciencia estudia este objeto?

7. Estudia la Figura 5, nombra todos los organismos vivos y la ciencia que los estudia

Arroz. 5. Organismos vivos

Tarea

1. Procesar el material del libro de texto - párrafo 1
2. Escribe en un cuaderno y aprende los términos: biología, vida, ciencia.
3. Anota en un cuaderno todas las secciones y subsecciones de la biología como ciencia, caracterízalas brevemente.

Recientemente, se descubrió un pez sin ojos, Phreaticthys andruzzii, que vive en cuevas subterráneas, en las que el reloj interno no está configurado en 24 (como otros animales), sino en 47 horas. Una mutación tiene la culpa de esto, que apagó todos los receptores sensibles a la luz en el cuerpo de estos peces.

Total especies Los científicos estiman que viven en nuestro planeta en 8,7 millones, y abiertamente y clasificados de ellos en este momento no más del 20% de este número.

Los peces de hielo, o pescado blanco, viven en las aguas de la Antártida. Esta es la única especie de vertebrado que no tiene glóbulos rojos ni hemoglobina en la sangre; por lo tanto, la sangre de los peces de hielo es incolora. Su metabolismo se basa únicamente en el oxígeno disuelto directamente en la sangre.

La palabra "bastardo" proviene del verbo "fornicar" y originalmente significaba solo la descendencia ilegítima de un animal de pura raza. Con el tiempo, en biología, esta palabra fue reemplazada por el término "híbrido", pero se volvió abusivo en relación con las personas.

Lista de fuentes utilizadas

1. Lección "Biología: la ciencia de la vida" Konstantinova E. A., profesora de biología, escuela secundaria No. 3, Tver
2. Lección “Introducción. La biología es la ciencia de la vida” Titorov Yu.I., profesor de biología, director de Kemerovo CL.
3. Lección "Biología - la ciencia de la vida" Nikitina O.V., profesora de biología, MOU "Escuela secundaria No. 8, Cherepovets.
4. Zakharov V.B., Kozlova T.A., Mamontov S.G. "Biología" (4ª edición) -L.: Academy, 2011.- 512s.
5. Matyash N.Yu., Shabatura N.N. Biología Grado 9 - K .: Ginebra, 2009. - 253 p.

Editado y enviado por Borisenko I.N.

Trabajando en la lección

Borisenko I. N.

Konstantinova E. A.

Titorova Yu.I.

Nikitina V.O.

Biología- la ciencia de la naturaleza viva.

La biología estudia la diversidad de los seres vivos, la estructura de sus cuerpos y el trabajo de sus órganos, la reproducción y desarrollo de los organismos, así como la influencia del hombre en la vida silvestre.

El nombre de esta ciencia proviene de dos palabras griegas " biografías" - "vida y " logotipos- "ciencia, palabra".

Uno de los fundadores de la ciencia de los organismos vivos fue el gran científico griego antiguo (384 - 322 a. C.). Fue el primero en generalizar el conocimiento biológico obtenido antes que él por la humanidad. El científico propuso la primera clasificación de animales, combinando organismos vivos de estructura similar en grupos, y designó un lugar para una persona en él.

Posteriormente, muchos científicos que estudiaron diferentes tipos organismos vivos que habitan nuestro planeta.

familia de biociencias

La biología es la ciencia de la naturaleza. El campo de investigación de los biólogos es enorme: estos son varios microorganismos, plantas, hongos, animales (incluidos los humanos), la estructura y el funcionamiento de los organismos, etc.

De este modo, la biología no es solo una ciencia, sino una familia completa que consta de muchas ciencias separadas.

Explore un cuadro interactivo sobre la familia de las ciencias biológicas y descubra qué diferentes ramas de la biología estudian.

Anatomía- la ciencia de la forma y estructura de los órganos individuales, los sistemas y el cuerpo como un todo.

Fisiología- la ciencia de la actividad vital de los organismos, sus sistemas, órganos y tejidos, los procesos que ocurren en el cuerpo.

Citología- la ciencia de la estructura y actividad de la célula.

Zoología es la ciencia que estudia a los animales.

Secciones de zoología:

• La entomología es la ciencia de los insectos.

Hay varias secciones en él: coleopterología (estudios de escarabajos), lepidopterología (estudios de mariposas), mirmecología (estudios de hormigas).

• La ictiología es la ciencia de los peces.
• La ornitología es la ciencia de las aves.
• La teriología es la ciencia de los mamíferos.

Botánica la ciencia que estudia las plantas.

Micología la ciencia que estudia los hongos.

protistología La ciencia que estudia los protozoos.

Virología la ciencia que estudia los virus.

Bacteriología la ciencia que estudia las bacterias.

Importancia de la biología

La biología está estrechamente relacionada con muchos aspectos de la actividad práctica humana: agricultura, diversas industrias y medicina.

El desarrollo exitoso de la agricultura actual depende en gran medida de los biólogos-mejoradores involucrados en la mejora de las existentes y la creación de nuevas variedades de plantas cultivadas y razas de animales domésticos.

Gracias a los logros de la biología, la industria microbiológica se ha creado y se está desarrollando con éxito. Por ejemplo, kéfir, leche cuajada, yogures, quesos, kvas y muchos otros productos que recibe una persona debido a la actividad de ciertos tipos de hongos y bacterias. Con la ayuda de biotecnologías modernas, las empresas producen medicamentos, vitaminas, aditivos para piensos, productos fitosanitarios contra plagas y enfermedades, fertilizantes y mucho más.

El conocimiento de las leyes de la biología ayuda a tratar y prevenir enfermedades humanas.

Cada año, más y más personas usan Recursos naturales. La poderosa tecnología está transformando el mundo tan rápidamente que ahora casi no quedan rincones en la Tierra con naturaleza intacta.

Para mantener las condiciones normales para la vida humana, es necesario restaurar el entorno natural destruido. Solo las personas que conocen bien las leyes de la naturaleza pueden hacer esto. El conocimiento de la biología, así como las ciencias biológicas ecología nos ayuda a resolver el problema de preservar y mejorar las condiciones de vida en el planeta.

Completa la tarea interactiva -